Команда профессора Се Жунцзюня с факультета материаловедения Сямэньского университета совместно с командой профессора Ван Лисиня из Фуданьского университета впервые выявила ключевой механизм деградации свечения светодиодов (LED), вызванной электрохимическим окислением оловянных перовскитов под действием электрического поля, предложила стратегию синергетической регуляции легированием решётки и пассивацией поверхности, и успешно создала оловянные перовскитные светодиоды с высокой эффективностью и длительным сроком службы, что обеспечило важную теоретическую основу и технологический путь для разработки высокопроизводительных безсвинцовых перовскитных оптоэлектронных приборов. Результаты исследования были опубликованы 27 числа в международном журнале «Science».
Ближнеинфракрасные оловянные перовскитные светодиоды обладают преимуществами низкой токсичности, растворимости в технологическом процессе и низкой стоимости, что открывает широкие перспективы применения в области оптической связи, ночного видения, хранения данных и биомедицинской диагностики. Однако длительное время такие свойства материала, как высокая склонность ионов двухвалентного олова к окислению и сложность контроля процесса кристаллизации оловянных перовскитов, приводили к тому, что эффективность и стабильность излучения устройств уступали свинцовым перовскитным светодиодам и традиционным квантовым точечным светодиодам, что сдерживало их практическое применение и развитие.
Для решения этой проблемы исследовательская группа систематически проанализировала изменения структуры плёнки оловянного перовскита под действием электрического поля, изменения валентности ионов олова и процесс деградации излучения устройства, установив, что коренной причиной отказа устройства является электрохимическое окисление, вызванное дисбалансом инжекции носителей заряда. При работе устройства под напряжением внутри накапливается избыточное количество проводящих носителей, что в сочетании с присущей материалу проводимостью приводит к необратимому окислению двухвалентного олова, изменению кристаллической структуры, ухудшению излучательных свойств и резкому падению эффективности излучения устройства.
На основе этого открытия исследователи применили синергетическую стратегию легирования решётки в сочетании с пассивацией поверхности, что позволило стабилизировать кристаллическую структуру перовскита, улучшить транспорт носителей и подавить безызлучательные переходы, успешно создав ближнеинфракрасный оловянный перовскитный светодиод с превосходными характеристиками. Пиковая внешняя квантовая эффективность устройства достигла 21,2%, а срок службы превысил 900 часов.
Этот результат показывает, что ближнеинфракрасные оловянные перовскитные светодиоды, сохраняя экологически безопасные преимущества, достигли существенного прорыва в оптоэлектронных характеристиках и могут обеспечить новые ближнеинфракрасные источники света для таких областей применения, как оптическая связь и биомедицинская визуализация.